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CN106855536B - 基于电声脉冲法的高压直流电缆空间电荷二维成像方法 - Google Patents

基于电声脉冲法的高压直流电缆空间电荷二维成像方法 Download PDF

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CN106855536B
CN106855536B CN201510906114.7A CN201510906114A CN106855536B CN 106855536 B CN106855536 B CN 106855536B CN 201510906114 A CN201510906114 A CN 201510906114A CN 106855536 B CN106855536 B CN 106855536B
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CN
China
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徐恒山
贺之渊
曹均正
黄永章
于涛
赵志斌
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State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
North China Electric Power University
State Grid Smart Grid Research Institute of SGCC
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State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
North China Electric Power University
State Grid Smart Grid Research Institute of SGCC
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Abstract

本发明涉及一种基于电声脉冲法的高压直流电缆空间电荷二维成像方法，本发明基于PEA法，对空间电荷施加一个脉冲电场，空间电荷受脉冲电场力做直线振动，振动产生的声波为球面分布，球面传播的声波强度与声波传播的角度有关。脉冲电压在空间上的分布取决于脉冲电压的幅值和空间点与原点的距离，脉冲电场强度与该距离成反比。根据空间点的坐标、传感器坐标、声波的衰减特性、直线振动产生声波的方向系数和脉冲电场的分布计算出空间点与传感器的传递函数，根据测量信号和传递函数计算出空间电荷的二维分布。本发明提供的技术方案克服传统空间电荷测量系统应用中精度低、测量信息不全面、测量费时、效率低等缺点，提高电缆空间电荷测量的准确性。

Description

基于电声脉冲法的高压直流电缆空间电荷二维成像方法
技术领域
本发明涉及一种高压直流电缆空间的成像方法，具体涉及一种基于电声脉冲法的高压直流电缆空间电荷二维成像方法。
背景技术
由于各种原因，绝缘材料中不可避免的存在交联副产物、杂质、水树枝、电树枝等杂质、缺陷，高压直流电场的长期作用下，空间电荷的在上述缺陷处局部聚积，导致局部电场发生严重畸变，空间电荷是评价高压直流电缆绝缘材料性能和电缆设计是否成功的一个非常重要指标。
传统的高压直流电缆空间电荷测量不考虑声波传播的方向系数，认为声波只在其直线振动方向上产生，忽略了不再测量直线上分布的空间电荷对测量结果的影响，如果空间电荷分布密度较大，测量结果将严重偏离真实空间电荷分布值，在实际应用中存在很大的误差，不能对面积上的空间电荷分布进行分析，将测量域限制在一条直线上，不能全面的评价电缆的空间电荷特性。
水树枝、电树枝等一些具有形状和尺寸的杂质和缺陷，其形状、尺寸和分布位置对空间电荷分布影响很大，传统的空间电荷测量系统很难对上述信息进行测量。空间电荷的二维成像能直观反映出上述信息。
发明内容
为解决上述现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种基于电声脉冲法的高压直流电缆空间电荷二维成像方法，该方法克服传统空间电荷测量系统应用中精度低、测量信息不全面、测量费时、效率低等缺点。
本发明的目的是采用下述技术方案实现的：
本发明提供一种基于电声脉冲法的高压直流电缆空间电荷二维成像方法，所述方法采用的装置包括高压直流电源、脉冲电源、挤包绝缘电缆、铝电极、压电传感器、声吸收层和信号放大器；所述高压直流电源和脉冲电源连接在导体线芯上；所述铝电极包覆在挤包绝缘电缆外部；所述压电传感器贴合在铝电极外部；所述声吸收层位于压电传感器一侧，信号放大器用于放大压电传感器输出的信号；其改进之处在于，所述方法包括下述步骤：
(1)以电缆的导体线芯中心为坐标原点，构建圆柱坐标系，导体线芯中心为z轴，垂直有z轴的平面为r、θ平面，z＝0平面为空间电荷成像横截面；
(2)多个压电传感器布置在电缆外屏蔽层的外侧，压电传感器输出电压信号，每个压电传感器接收到的信号均包含空间电荷在整个成像横截面上的分布信息；
(3)压电传感器的数量为2或2以上，当压电传感器数目为2时，两个压电传感器不能布置在绝缘横截面的同一直径上，压电传感器多角度获得电声脉冲PEA信号，电声脉冲PEA信号经过放大器放大；
(4)空间电荷在脉冲电场作用下直线振动，振动方向与具有散度的脉冲电场在空间电荷处的方向重合；
(5)直线振动产生的声波信号具有辐射特性，不同的声波传播方向上声波强度不同，根据声波传播方向计算声波在压电传感器方向上的方向系数；
(6)确定空间点与压电传感器之间的传递函数和声波到达压电传感器的时延；
(7)认为脉冲电压为一理想的冲击信号，根据压电传感器输出的测量信号、传递函数，反解出空间电荷的二维分布，对空间电荷进行二维成像；
(8)对空间电荷分布特性进行全面分析，得到出水树枝、电树枝、杂质在绝缘中的位置、大小和形状。
进一步地，所述步骤(5)中，声波在压电传感器方向上的方向系数如下式所示；
Figure BDA0000872543410000021
式中：J1(*)为第一类一阶贝塞尔函数；k为波数，即单位长度内声波周期数；a为声源半径；μ为偏离声源振动的方向角；当振动粒子的位移接近或小于粒子半径时，粒子振动产生的声波为球面波，即声波在压电传感器方向上的方向系数D(k，μ)在各个方向上近似相等，D(k，μ)＝1。
进一步地，所述步骤(6)中，根据每个压电传感器的二维坐标和空间二维坐标的位置关系，结合声波在绝缘介质中的衰减特性和声波在绝缘介质中的传播速度，以及压电传感器之间的坐标关系，计算出空间点与压电传感器之间的传递函数和声波到达压电传感器的时延，即像素点与传感器的距离l除以声波在绝缘介质中的声速c。
进一步地，所述步骤(7)中，所述传递函数为：记(R0，
Figure BDA0000872543410000022
)处的传感器接收到的信号为ph(t)，共有H个传感器，h＝1，…，H；缆绝缘外半径构成的圆周均分为N等分，半径均分为M等分，1<m<M，1<n<N，绝缘横截面分为MN个像素区域，像素点(rm，θn)到传感器(R0，
Figure BDA0000872543410000031
)的传输方程g(rm,θn,
Figure BDA0000872543410000032
)和传输时间t(rm,θn,R0,
Figure BDA0000872543410000033
)分别为：
Figure BDA0000872543410000035
Figure BDA0000872543410000036
式中，rin为电缆绝缘的内半径，R0为电缆绝缘的外半径，α(f)、β(f)分别为声波在介质中的衰减系数和色散系数，ep(t-t(rm,θn,R0,))为像素点(rm，θn)的电场强度，Vp为脉冲电压的幅值，T为脉冲电压的脉宽；rm为像素半径坐标，θn为像素的角度坐标，t为时间，t(rm,θn,R0,
Figure BDA0000872543410000038
)为声波由(rm，θn)传播到(R0，
Figure BDA0000872543410000039
)的时间,
Figure BDA00008725434100000310
为像素点(rm，θn)到传感器(R0，
Figure BDA00008725434100000311
)的距离，c为声波在介质中的传播速度；
将(R0，
Figure BDA00008725434100000312
)处的传感器接收到的信号ph(t)构造成为1×MN的离散向量ph(t(m,n))，对应于第h个传感器，即(R0，
Figure BDA00008725434100000313
)处的传感器接收到像素点(rm，θn)传来的声波信号ph(m，n)为：
Figure BDA00008725434100000314
其中：ρ(rm,θn)表示在像素点(rm，θn)的空间电荷密度；
(R0，)处传感器接收的声波信号总和为：
Figure BDA00008725434100000316
其向量形式表达为：
Figure BDA00008725434100000317
将(rm，θn)简化表示为(m，n)，其中：ph(m,n)表示第h个传感器接收到由像素(m，n)处空间电荷产生的声波信号；
H个传感器接收到的信号构成一个H×MN维矩阵PH×MN：
Figure BDA00008725434100000318
传递函数矩阵GH×MN表示为：
Figure BDA0000872543410000041
空间电荷分布构成一个MN×MN的方阵，只有对角线上有元素：
Figure BDA0000872543410000042
则PH×MN、GH×MN、ρMN×MN的关系为：
PH×MN＝GH×MNρMN×MN
即：
Figure BDA0000872543410000043
根据上式中测量矩阵PH×MN和传递矩阵GH×MN求解出空间电荷矩阵ρMN×MN，进而得到整个绝缘界面的空间电荷分布。
进一步地，所述步骤(8)中，空间电荷在整个成像横截面上的分布信息包括空间电荷的密度、位置和极性，根据空间电荷在绝缘横截面上的分布情况，对其分布位置和密度进行分析，结合水树枝、电树枝产生空间电荷的机理，得到绝缘中水树枝、电树枝、缺陷在测量横截面上的大小、位置和形状的信息。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有的优异效果是：
1、本发明可以对电缆横截面上的空间电荷分布信息进行全方位、无死角测量并成像；
2、本发明克服传统空间电荷测量系统应用中精度低、测量信息不全面、测量费时、效率低等缺点，提高电缆空间电荷测量的准确性，采用成像技术将测量结果直观显示出来，实现其测量的全面性、多功能性，降低截面上空间电荷成像的时间，具有很大的经济效益和社会效益。
3、本发明可以更直观的获得空间电荷在横截面分布信息，得到绝缘中水树枝、电树枝、缺陷在测量横截面上的大小、位置和形状的信息。
附图说明
图1是本发明提供的二维空间电荷成像原理图；其中：1为电缆导体线芯；2为挤包绝缘电缆；3为压电传感器；4为空间电荷；5为坐标原点；6为脉冲电场的方向；7空间电荷在脉冲电场作用下的振动方向；8角度坐标的零刻度线；9为空间电荷的角度坐标；10为传感器的角度坐标；11为空间电荷的半径坐标；12为声阻抗匹配层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的组件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。
本发明提供的方法采用的装置包括高压直流电源、脉冲电源、挤包绝缘电缆2、铝电极、压电传感器3、声吸收层和信号放大器；所述高压直流电源和脉冲电源连接在电缆导体线芯1上；所述铝电极包覆在挤包绝缘电缆2外部；所述压电传感器3贴合在铝电极外部；所述声吸收层位于压电传感器一侧，信号放大器用于放大压电传感器输出的信号；
本发明的原理在于：基于电声脉冲法PEA，对空间电荷施加一个脉冲电场，空间电荷受脉冲电场力做直线振动，振动产生的声波为球面分布，球面传播的声波强度与声波传播的角度有关。脉冲电压在空间上的分布取决于脉冲电压的幅值和空间点与原点的距离，脉冲电场强度与该距离成反比。根据空间点的坐标、传感器坐标、声波的衰减特性、直线振动产生声波的方向系数和脉冲电场的分布计算出空间点与传感器的传递函数，根据测量信号和传递函数计算出空间电荷的二维分布。本发明提供的二维空间电荷成像原理图如图1所示。
一种基于电声脉冲法的高压直流电缆空间电荷二维成像技术，其特征在于包含以下步骤：
(1)以电缆的导体线芯1中心为坐标原点，构建圆柱坐标系，z＝0平面为空间电荷成像横截面；
(2)多个压电传感器3布置在电缆外屏蔽层的外侧，压电传感器输出电压信号，每个压电传感器接收到的信号都包含空间电荷在整个成像横截面上的分布信息；
(3)压电传感器的数量为2或2以上，当压电传感器数目为2时，两个压电传感器不能布置在绝缘横截面的同一直径上，传感器多角度获得PEA信号(电声脉冲信号)，PEA信号经过放大器放大；
(4)空间电荷4在脉冲电场最用下直线振动，振动方向与具有散度的脉冲电场在空间电荷处的方向重合；
(5)直线振动产生的声波信号具有辐射特性，不同的声波传播方向上声波强度不同，根据声波传播方向计算出声波在各个传感器方向上的方向系数；声波在压电传感器方向上的方向系数如下式所示；
式中：J1(*)为第一类一阶贝塞尔函数；k为波数，即单位长度内声波周期数；a为声源半径；μ为偏离声源振动的方向角；当振动粒子的位移接近或小于粒子半径时，粒子振动产生的声波为球面波，即声波在压电传感器方向上的方向系数D(k，μ)在各个方向上近似相等，D(k，μ)＝1。
(6)根据每个压电传感器的二维坐标和空间二维坐标的位置关系，结合声波在绝缘介质中的衰减特性和声波在绝缘介质中的传播速度，以及传感器之间的坐标关系，计算出空间点与各传感器之间的传递函数和声波到达传感器的时延；
(7)根据压电传感器输出的测量信号、传递函数，反解出空间电荷的二维分布，对空间电荷进行二维成像；
所述传递函数为：记(R0，)处的传感器接收到的信号为ph(t)，共有H个传感器，h＝1，…，H；电缆绝缘外半径构成的圆周均分为N等分，半径均分为M等分，1<m<M，1<n<N，绝缘横截面分为MN个像素区域，像素点(rm，θn)到传感器(R0，
Figure BDA0000872543410000071
)的传输方程g(rm,θn,
Figure BDA0000872543410000072
)和传输时间t(rm,θn,R0,
Figure BDA0000872543410000073
)分别为：
Figure BDA0000872543410000074
Figure BDA0000872543410000075
Figure BDA0000872543410000076
式中，rin为挤包绝缘电缆的内半径，R0为挤包绝缘电缆的外半径，α(f)、β(f)分别为声波在介质中的衰减系数和色散系数，ep(t-t(rm,θn,R0,
Figure BDA0000872543410000077
))为像素点(rm，θn)的电场强度，Vp为脉冲电压的幅值，T为脉冲电压的脉宽；rm为像素半径坐标，θn为像素的角度坐标，t为时间，t(rm,θn,R0,
Figure BDA0000872543410000078
)为声波由(rm，θn)传播到(R0，
Figure BDA0000872543410000079
)的时间。
将(R0，
Figure BDA00008725434100000710
)处的传感器接收到的信号ph(t)构造成为1×MN的离散向量ph(t(m,n))，对应于第h个传感器，即(R0，
Figure BDA00008725434100000711
)处的传感器接收到像素点(rm，θn)传来的声波信号ph(m，n)为：
其中：ρ(rm,θn)表示在像素点(rm，θn)的空间电荷密度。
(R0，
Figure BDA00008725434100000713
)处传感器接收的声波信号总和为：
Figure BDA00008725434100000714
其向量形式表达为：
Figure BDA00008725434100000715
为了简化表达，将(rm，θn)简化表示为(m，n)，其中：ph(m,n)表示第h个传感器接收到由像素(m，n)处空间电荷产生的声波信号。
H个传感器接收到的信号构成一个H×MN维矩阵PH×MN：
Figure BDA0000872543410000081
传递函数矩阵GH×MN表示为：
空间电荷分布构成一个MN×MN的方阵，只有对角线上有元素：
Figure BDA0000872543410000083
则PH×MN、GH×MN、ρMN×MN的关系为：
PH×MN＝GH×MNρMN×MN
即：
Figure BDA0000872543410000084
根据上式中测量矩阵PH×MN和传递矩阵GH×MN求解出空间电荷矩阵ρMN×MN，进而得到整个绝缘界面的空间电荷分布。
(8)对空间电荷分布特性进行全面分析，直观的获得空间电荷在电缆绝缘横截面的分布信息，包括空间电荷的密度、位置和极性，根据空间电荷在绝缘横截面上的分布情况，对其分布位置和密度进行分析，结合水树枝、电树枝产生空间电荷的机理，得到绝缘中水树枝、电树枝、缺陷在测量横截面上的大小、位置和形状的信息。
本发明提供的基于电声脉冲法的高压直流电缆空间电荷二维成像技术，适用于测量高压直流电缆空间电荷二维分布，测量水树枝、电树枝杂质等在绝缘中的分布，评价电缆绝缘材料的空间电荷特性，克服传统空间电荷测量系统应用中精度低、测量信息不全面、测量费时、效率低等缺点。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于电声脉冲法的高压直流电缆空间电荷二维成像方法，所述方法用的装置包括高压直流电源、脉冲电源、挤包绝缘电缆、铝电极、压电传感器、声吸收层和信号放大器；所述高压直流电源和脉冲电源分别连接在导体线芯上；所述铝电极设置在挤包绝缘电缆外部；所述压电传感器贴合于铝电极外部；所述声吸收层位于压电传感器一侧，信号放大器用于放大压电传感器输出的信号；其特征在于，所述方法包括下述步骤：
(1)以电缆的导体线芯中心为坐标原点，构建圆柱坐标系，导体线芯中心为z轴，垂直有z轴的平面为r和θ平面，z＝0平面为空间电荷成像横截面；
(2)在电缆外屏蔽层的外侧布置压电传感器，压电传感器输出电压信号，每个压电传感器接收到的信号均包含空间电荷在整个成像横截面上的分布信息；
(3)压电传感器的数量至少为2，当压电传感器数目为2时，两个压电传感器不能布置在绝缘横截面的同一直径上，压电传感器多角度获得电声脉冲PEA信号，电声脉冲PEA信号经过放大器放大；
(4)空间电荷在脉冲电场作用下直线振动，振动方向与具有散度的脉冲电场在空间电荷处的方向重合；
(5)直线振动产生的声波信号具有辐射特性，不同的声波传播方向上声波强度不同，根据声波传播方向计算声波在压电传感器方向上的方向系数；
(6)确定空间点与压电传感器之间的传递函数和声波到达压电传感器的时延；
(7)设定脉冲电压为一理想的冲击信号，根据压电传感器输出的测量信号、传递函数，反解出空间电荷的二维分布，对空间电荷进行二维成像；
(8)对空间电荷分布特性进行全面分析，得到出水树枝、电树枝、杂质在绝缘中的位置、大小和形状；
所述步骤(5)中，声波在压电传感器方向上的方向系数如下式所示；
式中：J1(*)为第一类一阶贝塞尔函数；k为波数，即单位长度内声波周期数；a为声源半径；μ为偏离声源振动的方向角；当振动粒子的位移接近或小于粒子半径时，粒子振动产生的声波为球面波，即声波在压电传感器方向上的方向系数D(k，μ)在各个方向上近似相等，D(k，μ)＝1。
2.如权利要求1所述的高压直流电缆空间电荷二维成像方法，其特征在于，所述步骤(6)中，根据每个压电传感器的二维坐标和空间二维坐标的位置关系，结合声波在绝缘介质中的衰减特性和声波在绝缘介质中的传播速度，以及压电传感器之间的坐标关系，计算空间点与压电传感器之间的传递函数和声波到达压电传感器的时延，即像素点与传感器的距离l除以声波在绝缘介质中的声速c。
3.如权利要求1所述的高压直流电缆空间电荷二维成像方法，其特征在于，所述步骤(7)中，所述传递函数为：
Figure FDA0002094236920000021
处的传感器接收到的信号为ph(t)，并设传感器的个数为H个，h＝1，…，H；将电缆绝缘层外的半径构成的圆环均分为N等分，半径均分为M等分，1<m<M，1<n<N，绝缘横截面分为MN个像素区域，像素点(rm，θn)到传感器
Figure FDA0002094236920000022
的传输方程
Figure FDA0002094236920000023
和传输时间分别用下式表示：
Figure FDA0002094236920000025
Figure FDA0002094236920000026
式中，rin为电缆绝缘的内半径，R0为电缆绝缘的外半径，α(f)、β(f)分别为声波在介质中的衰减系数和色散系数，为像素点(rm，θn)的电场强度，Vp为脉冲电压的幅值，T为脉冲电压的脉宽；rm为像素半径坐标，θn为像素的角度坐标，t为时间，
Figure FDA0002094236920000029
为声波由(rm，θn)传播到
Figure FDA00020942369200000210
的时间,
Figure FDA00020942369200000211
为像素点(rm，θn)到传感器
Figure FDA00020942369200000212
的距离，c为声波在介质中的传播速度；
将
Figure FDA00020942369200000213
处的传感器接收到的信号ph(t)构造成为1×MN的离散向量ph(t(m,n))，对应于第h个传感器，即
Figure FDA00020942369200000214
处的传感器接收到像素点(rm，θn)传来的声波信号ph(m，n)如下式所示：
Figure FDA00020942369200000215
其中：ρ(rm,θn)表示在像素点(rm，θn)的空间电荷密度；
Figure FDA00020942369200000218
处传感器接收的声波信号总和如下式所示：
其向量形式表达为：
将(rm，θn)简化表示为(m，n)，其中：ph(m,n)表示第h个传感器接收到由像素(m，n)处空间电荷产生的声波信号；
H个传感器接收到的信号构成一个H×MN维矩阵PH×MN：
Figure FDA0002094236920000032
传递函数矩阵GH×MN表示为：
空间电荷分布构成一个MN×MN的方阵，只有对角线上有元素：
Figure FDA0002094236920000034
则PH×MN、GH×MN、ρMN×MN的关系为：
PH×MN＝GH×MNρMN×MN
即：
Figure FDA0002094236920000041
根据上式中测量矩阵PH×MN和传递矩阵GH×MN求解出空间电荷矩阵ρMN×MN，进而得到整个绝缘界面的空间电荷分布。
4.如权利要求1所述的高压直流电缆空间电荷二维成像方法，其特征在于，所述步骤(8)中，空间电荷在整个成像横截面上的分布信息包括空间电荷的密度、位置和极性，根据空间电荷在绝缘横截面上的分布情况，对其分布位置和密度进行分析，结合水树枝、电树枝产生空间电荷的机理，得到绝缘中水树枝、电树枝、缺陷在测量横截面上的大小、位置和形状的信息。
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